CN113116525B - 用于导航手术动力系统的光学跟踪结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，包括用于连接并驱动手术动力器械的连接器，所述连接器上设置有导航支架，所述导航支架上跟随有若干个用于为光学跟踪系统构建定位面的反光球，所述导航支架上形成有环状支撑面，若干个所述反光球环绕分布在所述环状支撑面的表面，光学跟踪系统通过若干个反光球对手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。本发明一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，能有效提高光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围，确保手术过程中的导航精度，让导航手术更为顺利。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构。
背景技术
目前，临床上用于导航手术的光学跟踪装置主要是由加拿大NDI公司生产的光学定位跟踪系统。该类系统的定位原理为：双目位置传感器发射的红外光照射在安装有跟踪工具的手术设备或器械上，跟踪工具上的可反射红外光的小球(也称反光球)会将红外光反射回位置传感器并由系统内置软件进行计算得到跟踪工具的位置坐标(包括跟踪工具的位置和角度)，从而实现对相应的手术设备和器械进行定位跟踪。
根据前述系统的定位原理可知，在手术设备和器械的跟踪方面，跟踪工具是起关键性作用的部件，系统计算得到的跟踪工具位置坐标的精度决定了手术导航系统的精度。目前常用的跟踪工具包含3～4个共面(该平面称为定位面)的反光球。如专利200720012127.0所公开的跟踪工具，该光学跟踪工具只有一个定位面，且该定位面为180°的平面，从而导致跟踪范围极小，简单来说，就是光学跟踪系统无法从侧方向顺利跟踪到手术动力器械，因此导致在手术过程中，光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围较小，致使手术动力器械无法被稳定有效地跟踪，导航的精度也随之受到影响，不利于导航手术的顺利进行。
发明内容
本发明提供一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，能有效提高光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围，确保手术过程中的导航精度，让导航手术更为顺利。
本发明提供一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，包括用于连接并驱动手术动力器械的连接器，所述连接器上设置有导航支架，所述导航支架上跟随有若干个用于为光学跟踪系统构建定位面的反光球，所述导航支架(3)上形成有环状支撑面(4)，若干个所述反光球(2)环绕分布在所述环状支撑面(4)的表面，所述光学跟踪系统通过若干个所述反光球(2)对所述手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，获取若干个所述反光球(2)的三维坐标信息，对所述三维坐标信息进行读取和解析处理，得到所述光学跟踪系统的位姿信息。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述连接器(1)内的驱动电机设置有应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种，在驱动电机上还设置有嵌入式智能测控模块以接收所述应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种采集到的感应信号并进行判断，并根据判断结果控制驱动电机进行信号调节。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述连接器(1)通过快接装置连接所述手术动力器械。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述环状支撑面的外周表面通过径向扭曲形成沿轴线方向延伸的扭曲面，各个所述反光球环绕分布在所述扭曲面的表面。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述导航支架上设置有前段支撑环和后段支撑环，所述扭曲面分别形成在所述前段支撑环和后段支撑环的表面，所述扭曲面在前段支撑环和后段支撑环上的扭曲轨迹互为不同；
所述前段支撑环的外径尺寸小于所述后段支撑环的外径尺寸。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述前段支撑环和后段支撑环的扭曲面表面分别环绕分布有四个所述反光球。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述连接器与导航支架之间设置有用于相互定位配合的安装接口。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述环状支撑面上设置有若干个固定支架，各个所述反光球分别连接在各个固定支架上。
根据本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，所述连接器的底部设置有把手，所述把手上设置有用于为连接器的驱动电机提供电源的电源接口。
本发明提供的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，通过在连接器上安装导航支架，并且在导航支架上形成环状支撑面，由此可以让导航支架上的支撑面轨迹能周向延伸，最后把各个用于被光学跟踪系统识别的反光球环绕分布在所述环状支撑面的表面，光学跟踪系统通过若干个反光球对手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪，从而可以便于各个反光球构建出侧向倾斜并对应于侧方向的定位面，让光学跟踪系统可以顺利地从侧方向跟踪到手术动力器械的空间位置，并且可以通过环状支撑面表面的各个反光球构建出多个周向排列的定位面，便于导航支架可以更大范围地被光学系统跟踪，因此可以有效增大光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围，有利于手术动力器械在手术过程中能被稳定有效地跟踪，从而确保手术过程中的导航精度，让导航手术更为顺利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体结构爆炸图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的前方正向示意图；
图4是图3的简示图；
图5是图2的简示图；
图6是本发明的前方正向示意图；
图7是本发明的局部结构图；
图8是本发明的局部结构图；
图9是本发明的侧视图；
图10是本发明的前方正向示意图；
图11是本发明的局部结构图；
图12是本发明的整体结构爆炸图。
1连接器，2反光球，3导航支架，4环状支撑面，5扭曲面，6前段支撑环，7后段支撑环，8安装接口，9固定支架，10把手，11电源接口，100安装口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1～图3所示描述本发明的一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，包括连接器1，连接器1用于连接并驱动手术动力器械(图中未画出)，使用时，手术动力器械安装在连接器1前端的安装口100，连接器1上可拆卸地安装有导航支架3，导航支架3上跟随有若干个用于为光学跟踪系统构建定位面的反光球2，导航支架3上形成有环状支撑面4，若干个反光球(2)环绕分布在环状支撑面(4)的表面，光学跟踪系统通过若干个反光球(2)对手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。
本实施例的光学跟踪结构，通过在连接器1上安装导航支架3，并且在导航支架3上形成环状支撑面4，由此可以让导航支架3上的环状支撑面4轨迹能周向延伸，最后把各个用于被光学跟踪系统识别的反光球2环绕分布在环状支撑面4的表面，光学跟踪系统通过若干个反光球2对手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪，结合图3和图4所示，从而可以便于各个反光球2构建出侧向倾斜并对应于侧方向的定位面(在本实施例中，通过四个反光球2构成一个定位面，如图5的简示图所示)，让光学跟踪系统可以顺利地从侧方向跟踪到手术动力器械的空间位置，并且可以通过环状支撑面4表面的各个反光球2构建出多个周向排列的定位面(例如图4所示，构建出三个周向排列的定位面)，便于导航支架3可以更大范围地被光学系统跟踪，因此可以有效增大光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围，有利于手术动力器械在手术过程中能被稳定有效地跟踪，从而确保手术过程中的导航精度，让导航手术更为顺利。
可选地，在一些实施例中，连接器1通过快接装置连接手术动力器械，可以快速拆卸和安装手术动力器械。
可选地，通过获取若干个反光球2的三维坐标信息，对三维坐标信息进行读取和解析处理，得到光学跟踪系统的位姿信息，可以实现多姿态的识别。
本实施例通过将手术动力器械和光学跟踪系统相结合，可以用于髋关节置换磨挫操作。
具体地，如图3所示，各个反光球2环绕分布在环状支撑面4的表面，因此使得光学跟踪系统可以以360°的超大范围跟踪手术动力器械，进一步有利于手术动力器械在手术过程中能被稳定有效地跟踪。
然而，现有技术中，在导航手术进行前，跟随手术动力器械移动的各个反光球会预先在计算机软件内虚拟生成，并在软件的虚拟坐标空间内根据各个反光球的位置自动生成导航支架，然后利用3D打印技术把虚拟的导航支架快速制造出实体的导航支架，并在实体的导航支架上安装与虚拟空间相对应的反光球，在手术开始前，虚拟坐标空间内的导航支架与实体导航支架需要通过由各个反光球构建的定位面进行相互映射的配准，简单来说，就是实体发光球构建出的定位面需要与计算机内虚拟发光球构建出的定位面相互配准，实际运作时，光学跟踪系统识别跟踪到实体导航支架上的各个实体反光球后，会根据各个实体反光球的空间位置构建出定位面，然后把实体反光球构建出的定位面映射配准计算机虚拟空间内的定位面，使手术空间内的实体导航支架与计算机虚拟空间内的虚拟导航支架完成相互映射配准，从而便可以在计算机的虚拟坐标空间内精准追踪实体导航支架，当手术动力器械连接于导航支架后，便可以在计算机虚拟坐标空间内精准地跟踪和把控手术动力器械的移动，从而可以实现高精度的手术工作。但是，当导航支架上的各个反光球构建出多个定位面后，虽然在理论上能增加光学跟踪系统对导航支架的跟踪范围，但是随之也会增加定位面与双目位置传感器光轴的角度，因此会影响手术导航系统的跟踪精度，要解决这个问题，需要各个定位面之间存在互异性，通过在计算机系统内增加检测比对软件，让光学跟踪系统准确区分各个定位面，使实体导航支架上的多个定位面可以准确配准计算机内的虚拟定位面，从而可以提升手术导航系统的跟踪精度。
因此，为了便于让环状支撑面4表面的各个反光球2能构建出多个在空间上互不相同的定位面，让各个定位面之间产生明显的互异性，在本实施例中，如图6～图7所示，环状支撑面4的外周表面通过径向扭曲形成沿轴线方向延伸的扭曲面5，各个反光球2环绕分布在扭曲面5的表面。当各个反光球2以不同的位置点分别固定在所述扭曲面5后，更有利于构建出不同形状的定位面，从而便于让各个定位面之间产生明显的互异性，便于光学跟踪系统准确识别和区分各个定位面，提高定位面的配准精度，从而可以提升手术导航系统对手术动力器械的跟踪精度。
进一步地，如图8～图9所示，导航支架3上设置有沿轴向排列的前段支撑环6和后段支撑环7，扭曲面5分别形成在前段支撑环6和后段支撑环7的表面，扭曲面5在前段支撑环6和后段支撑环7上的扭曲轨迹互为不同。通过把各个反光球2分别固定在前段支撑环6和后段支撑环7的扭曲面5上，并且由于前段支撑环6的扭曲面扭曲轨迹和后段支撑环7的扭曲面扭曲轨迹互为不同，因此当各个反光球2以不同的位置点分别固定在所述前段支撑环6和后段支撑环7的表面后，其更有利于构建出不同形状以及不同尺寸的定位面，从而便于让各个定位面之间产生进一步更加明显的互异性，让光学跟踪系统可以更加准确识别和区分各个定位面，进一步提高定位面的配准精度，从而可以再进一步提升手术导航系统对手术动力器械的跟踪精度。
进一步地，如图10所示，前段支撑环6的外径尺寸小于后段支撑环7的外径尺寸。从而可以让前段支撑环6上的反光球2与后段支撑环7上的反光球2构建出向前侧倾斜的定位面，便于导航支架3的前侧可以更大范围地被光学系统跟踪，再进一步有效增大光学跟踪系统对手术动力器械的跟踪范围。
具体地，如图1～图10所示，前段支撑环6和后段支撑环7的扭曲面5表面分别环绕分布有四个所述反光球2。因此可以通过相邻的四个反光球2分别构建出一个定位面，合共可以构建出三个周向环绕于导航支架3的定位面，有效增加跟踪范围，并且三个定位面也存在明显的互异性，便于光学跟踪系统准确识别和配准，因此有效提高了导航精度。
具体地，如图11所示，连接器1与导航支架3之间设置有用于相互定位配合的安装接口8。因此连接器1与导航支架3之间可重复拆装并且不必重新配准仍能保持在初始安装位置上，不影响导航精度。
具体地，如图12所示，环状支撑面4上固定有若干个固定支架9，各个反光球2分别连接在各个固定支架9上。因此可以确保各个反光球2能稳定连接在导航支架3上。
具体地，如图12所示，连接器1的底部设置有把手10，把手10上设置有用于为连接器1的电机提供电源的电源接口11。因此在导航手术进行时可以通过手握把手10控制手术动力器械移动，让操作更加方便。
具体地，在本实施例中，连接器1内的驱动电机设置有应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种，在驱动电机上还设置有嵌入式智能测控模块以接收所述应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种采集到的感应信号并进行判断，并根据判断结果控制驱动电机进行信号调节，从而可以有效增强对手术动力器械的精准操控。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，包括用于连接并驱动手术动力器械的连接器(1)，所述连接器(1)上设置有导航支架(3)，所述导航支架(3)上跟随有若干个用于为光学跟踪系统构建定位面的反光球(2)，其特征在于，所述导航支架(3)上形成有环状支撑面(4)，若干个所述反光球(2)环绕分布在所述环状支撑面(4)的表面，所述光学跟踪系统通过若干个所述反光球(2)对所述手术动力器械的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪,所述环状支撑面(4)的外周表面通过径向扭曲形成沿轴线方向延伸的扭曲面(5)，各个所述反光球(2)环绕分布在所述扭曲面(5)的表面。
2.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，获取若干个所述反光球(2)的三维坐标信息，对所述三维坐标信息进行读取和解析处理，得到所述光学跟踪系统的位姿信息。
3.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述连接器(1)内的驱动电机设置有应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种，在驱动电机上还设置有嵌入式智能测控模块以接收所述应变式扭矩传感器、转速传感器、压力传感器中的任意一种、二种或三种采集到的感应信号并进行判断，并根据判断结果控制驱动电机进行信号调节。
4.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述连接器(1)通过快接装置连接所述手术动力器械。
5.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述导航支架(3)上设置有前段支撑环(6)和后段支撑环(7)，所述扭曲面(5)分别形成在所述前段支撑环(6)和后段支撑环(7)的表面，所述扭曲面(5)在前段支撑环(6)和后段支撑环(7)上的扭曲轨迹互为不同；
所述前段支撑环(6)的外径尺寸小于所述后段支撑环(7)的外径尺寸。
6.根据权利要求5所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述前段支撑环(6)和后段支撑环(7)的扭曲面(5)表面分别环绕分布有四个所述反光球(2)。
7.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述连接器(1)与导航支架(3)之间设置有用于相互定位配合的安装接口(8)。
8.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述环状支撑面(4)上设置有若干个固定支架(9)，各个所述反光球(2)分别连接在各个固定支架(9)上。
9.根据权利要求1所述的用于导航手术动力系统的光学跟踪结构，其特征在于，所述连接器(1)的底部设置有把手(10)，所述把手(10)上设置有用于为连接器(1)的驱动电机提供电源的电源接口(11)。
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